Водоохлаждаемые панели, используемые вместо огнеупорной футеровки стен и свода, в настоящее время являются стандартными элементами конструкции печи. Практически все сверхмощные печи имеют водоохлаждаемые панели в стенах и более 50 % печей панели на своде. Применение водоохлаждаемых панелей обеспечило повышение производительности дуговых печей на 50 %, существенно снижение расхода огнеупоров.
Известны три основных типа водоохлаждаемых панелей: литые (чугунные или стальные), кессонные и трубчатые. Особенности конструкции и сравнительные характеристики различных типов панелей рассмотрены ниже. С целью обеспечения взрывобезопасности и повышения срока службы водоохлаждаемых панелей их приходится размещать несколько выше уровня расплава в печи. На дуговых печах с традиционным выпуском стали расстояние от уровня порога рабочего окна до низа панелей обычно составляет 350-500 мм. В этом случае площадь панели составляет ~75 % всей площади поверхности стен. Для обеспечения безопасной работы печи панели следует выносить за пределы откосов печи для исключения попадания воды на футеровку откосов при неконтролируемой утечке воды из панелей.
Для печей с водоохлаждаемыми панелями важной проблемой является повышение стойкости огнеупоров, из которых выложена нижняя часть стен. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование взамен магнезитохромитовых (периклазохромитовых) более теплопроводных огнеупоров типа углеродистомагнезитовых (периклазоуглеродистых). В Японии разработан и применяется периклазоуглеродистый кирпич (РМТ), содержащий 10,15 и. 20 % С. Стойкость его заметно выше, но стоимость в несколько раз больше, чем обычного периклазового или периклизохромитового кирпича. На заводах ФРГ в футеровке нижней части стен применяют кирпич двух видов.
Стойкость кирпичной футеровки стен и сводов таких печей была невелика, что снижало производительность печей вследствие простоев на ремонтах футеровки и повышало себестоимость стали в связи с высоким расходом огнеупорного кирпича. Кирпичная футеровка первой отечественной высокомощной дуговой печи ДСП-100НЗА. Стойкость магнезитохромитовых кирпичных стен такой печи на отечественных заводах составляла 120-140 плавок, магнезитохромитовых кирпичных сводов 60-85 плавок.
В печах обычной мощности стремились с целью снижения расхода электроэнергии иметь хорошую теплоизоляцию стен и по возможности свода, в печи сверхвысокой мощности потребовалось усилить отвод тепла от рабочей поверхности футеровки. С этой целью в конструкцию стен и свода печи введены водоохлаждаемые элементы.
Первоначально водоохлаждаемые панели применяли для охлаждения огнеупоров и размещали их между кожухом печи и огнеупорной футеровкой, что практически не способствовало эффективному охлаждению рабочей поверхности футеровки и повышению ее стойкости, поскольку между ней и панелями находился толстый слой огнеупорного материала с высоким тепловым сопротивлением. В дальнейшем водоохлаждаемые панели начали применять вместо огнеупорной футеровки и изолировать их рабочую поверхность огнеупорным материалом с высокой теплопроводностью или покрывать ее тонким слоем огнеупорной набивки, в процессе эксплуатации превращающейся в гарнисаж, толщина которого изменяется в зависимости от тепловой нагрузки. Применение водоохлаждаемых панелей вместо кирпичной огнеупорной кладки в стенах и сводах сверхмощных печей позволило резко увеличивать тепловые потоки на эти элементы печи и создало условия для работы печи на длинных дугах при повышенных значениях и высоком к.п.д. установки. Даже при очень высоких мощностях дуг возможны на протяжении всей плавки более экономичные режимы с относительно длинными дугами при меньших значениях тока.
При значительном увеличении мощности печных трансформаторов и вводимой в печь в течение плавки полезной мощности увеличилась тепловая нагрузка на футеровку, усложнились условия работы футеровки стен и свода дуговой сталеплавильной печи. Температура рабочего слоя футеровки заметно возросла, вследствие этого основной причиной разрушения огнеупорного материала футеровки стало оплавление ее рабочей поверхности. Появление сверхмощных печей обусловило необходимость повышения срока службы футеровки ее стен и свода.
Попытки решения проблемы стойкости футеровки путем повышения качества (прежде всего огнеупорности) стеновых и сводовых огнеупоров существенных результатов не дали, так как температура плавления рабочего слоя даже самого высокоогнеупорного кирпича существенно снижается в результате насыщения оксидами железа и другими легкоплавкими соединениями из шлака и пыли печных газов. По данным исследований в отечественных печах большой вместимости, температура начала плавления рабочего слоя магнезитохромитовых стеновых огнеупоров колеблется в пределах 1580- 1640 °С. Учитывая большую вероятность перегрева относительно этой температуры рабочей поверхности кладки футеровки сверхмощной печи, можно ожидать значительного износа футеровки, скорость которого, по мнению авторов работы, увеличивается пропорционально интегральному показателю.
Интенсивность излучения тепловой энергии электрической дугой в общем случае зависит от мощности дуги и ее длины. Известно, что длина дуги прямо пропорциональна напряжению дуги. В.Швабе предложил характеризовать интенсивность излучения дуги коэффициентом интенсивности излучения.